专利名称：一种膜-生物反应器在线清洗方法
技术领域：
一种膜-生物反应器在线清洗方法，涉及膜-生物反应器的清洗，尤其涉及膜-生物反应器的在线清洗装置，适用于好氧、厌氧、动态膜-生物反应器的物理清洗。
背景技术：
膜-生物反应器(Membrane Bioreactor,以下简称MBR)以膜分离替代传统二沉池，是将膜分离技术与活性污泥法相结合的水处理技术。MBR具有处理效果好，污泥浓度高， 处理负荷高，剩余污泥少，占地面积小等优点，在污水处理及中水回用领域的应用具有广阔前景。MBR有多种形式，按膜元件可分为管式膜MBR、中空纤维膜MBR和平板膜MBR ；按膜的强度可分为柔性膜MBR和刚性膜MBR ；按膜组件的放置形式可分为分置式MBR和一体式 MBR ；按操作方式可分为外部加压和内部抽吸。在MBR中，不可避免的会造成膜污染，造成膜通量下降，甚至无法继续使用，而依靠更换膜组件来恢复反应器的运行，势必会增加反应器的造价并造成运行周期中断，直接影响膜组件的效率和使用寿命，阻碍其在实际中的应用。因此，研究膜污染的原因，寻求消除膜污染，快速恢复膜比通量的高效清洗方法，成了推广膜-生物反应器应用的关键所在。而对于不同的处理对象、运行通量和工艺流程，所产生的膜污染也并不相同，主要有膜孔内污染、膜表面的凝胶层污染和泥饼层污染三种。在MBR运行过程中，膜孔内污染无法避免，因此控制和清除膜表面的凝胶层污染和泥饼层污染尤为重要。针对不同的膜污染类型，工程实践中采取不同的清洗方法加以清除。对于膜面污染可以通过物理清洗方法加以清除，常用的有水力冲洗、机械擦洗、超声波清洗等。膜孔内污染由于物理手段难以触及，需要化学清洗才能去除，常用的有次氯酸钠、稀酸、稀碱等。在具体的操作方法上有在线清洗和离线清洗两种。离线清洗是停止抽吸后将膜片从反应器取出，进行物理或化学清洗，虽然其清洗彻底，通量恢复率高，但操作复杂并会极大影响MBR 的正常运行，同时其产生的大量清洗废水也容易造成二次污染。而在线清洗则是在不停止或短暂停止抽吸的情况下，在反应器内对膜片进行清洗，其操作相对简单，对MBR的正常运行影响不大，产生的清洗废水也少。在工程应用中也更倾向于采用在线清洗方式，但是目前尚无理想的在线清洗方法和装置。因此，开发能够高效稳定运行的在线清洗方法，对于MBR的推广及应用有着积极地作用。
发明内容
本发明目的在于为膜-生物反应器提供一种投资省、操作方便、无需外加能耗的， 能够延长膜的清洗周期，节省膜清洗费用，提高膜运行通量，具有良好经济效益的膜-生物反应器在线清洗方法。本发明清洗方法通过由动力机构、传动机构、机械清洗机构、复位平衡配重装置组成的在线清装置实现。动力机构由能量转换储存装置和势能驱动装置组成，能量转换储存装置的位置要高于势能驱动装置，能量转换储存装置收集储存含有剩余能量的处理工艺流程中的物质流或处理工艺外部廉价物质流，物质流为进水、膜出水、消毒后出水、回流污泥、排放剩余污泥、浓度污泥和自来水。在势能驱动装置的底部设有物质流卸载装置。机械清洗机构由膜面清洗部件和连杆固定连接组成，膜面清洗部件根据反应器形式、膜组件形式，采用能够贴合膜面有效清除膜面污染物的形式，对于不同的膜污染性质和污染程度，采用相适宜的材质或材质组合，在不损坏膜组件的条件下实现对膜面污染物的去除。机械清洗机构的初始停留位置和清洗方式，在保持膜组件正常运行、不影响反应器内合理流态以及用于好氧膜-生物反应器时不影响曝气对膜面的冲刷时，可根据不同的膜-生物反应器、膜组件形式和膜污染程度做相应调整。传动机构由滑轮组和连接索构成，连接索通过滑轮与势能驱动装置、机械清洗机构和复位平衡配重装置连接并传递动力，传动索可以是传动皮带或链条或齿轮，滑轮为动滑轮和定滑轮。复位平衡配重装置设置的位置低于势能驱动装置，利用外界重物或处理工艺流程中的物质流实现配重平衡。本发明清洗方法清洗膜组件时，将储存于能量储存转换装置内的处于高势能位的物质流注入势能驱动装置，当势能驱动装置中被注入累积的物质流的重量克服机械清洗机构的膜面清洗部件的膜面清洗阻力，并克服沿程传动摩擦力及对应的复位平衡配重装置重力后，开始向低势能位运动，储存的势能又转化为动能，一部分通过传动机构带动膜面清洗部件实现对膜面的在线清洗，达到清洗效果，另一部分则使复位平衡配重装置由低势能位升至高势能位而储存起来。清洗完成后，触发开启物质流卸载装置底部的物质流卸载装置， 将势能驱动装置内的物质流排出，势能驱动装置重量变小，当复位平衡配重装置的重量克服膜面清洗阻力克服沿程传动摩擦力及对应的势能驱动装置重力后，通过传动机构将机械清洗机构和势能驱动装置恢复到清洗前状态，一个清洗周期完成。本发明可用于各种形式和工艺的膜-生物反应器，适用于各种平板膜组件、管式膜组件和中空纤维膜组件，也适用于刚性膜和柔性膜。本发明具有以下优点
(1)本发明清洗方法利用处理工艺流程中物质流或工艺外部物质流，将其进行势能转换并加以储存，清洗时再将势能转变为动能驱动装置运行，实现对膜组件的在线清洗，在使用时除维持自动控制的极少量能耗外不需另外增加能耗，有效节约了清洗膜组件的能耗。(2)本发明清洗方法适用于各种膜-生物反应器和各种膜组件形式，包括采用各种膜组件的好氧、厌氧和动态膜-生物反应器，应用广泛安装简便。(3)根据不同膜组件形式和膜面污染性质，选用不同的清洗装置形式和相宜材质， 膜面污染物的清洗效果显著，且不磨损膜面。(4)本发明结构简单，安装方便，投资省，运行稳定，维护方便，可实现全自动控制。(5)通过合理的配置和运行方式可以有效的控制各类膜面污染，延长膜组件的运行周期，提高膜组件的运行通量。
附图是本发明方法实施例示意图，其中
图1本发明清洗方法的膜-生物反应器示意图； 图2本发明清洗方法的膜-生物反应器清洗原理示意图； 图3本发明清洗方法在平板膜组件中实施示意图； 图4本发明清洗方法在中空纤维膜组件中实施示意图； 图5本发明清洗方法在外压管式膜组件中实施示意图； 图6本发明清洗装方法在内压管式膜组件中实施示意图中能量转换储存装置1，势能驱动装置2，物质流卸载装置3，连接索4，滑轮5，连杆 6，膜-生物反应器7，膜面清洗部件8，膜组件9，复位平衡配重装置10，曝气管11 (用于好氧膜-生物反应器时)。
具体实施例方式结合上述附图对本发明清洗方法作进一步描述。本发明清洗方法通过由动力机构、机械清洗机构、传动机构、复位平衡配重装置组成的在线清装置实现，动力机构由能量转换储存装置1和势能驱动装置2组成；机械清洗机构由连杆6和膜面清洗部件8固定连接组成；传动机构由连接索4和滑轮5构成，连接索4 通过滑轮5与势能驱动装置2、连杆6，膜面清洗部件8和复位平衡配重装置10连接并传递动力；复位平衡配重装置利用处理工艺流程中的物质流或外界重物实现配重平衡。能量转换储存装置1的势能位置要高于势能驱动装置2和复位平衡配重装置10。用于好氧膜-生物反应器时，膜组件9下部装有曝气管11，充氧并产生膜面错流，冲刷膜组件。图2所示，本发明方法对膜组件清洗时，首先将驱动本清洗方法的物质流，处理工艺过程中的物质流或工艺外部物质流放入能量转换储存装置1中，并将其转换为高位势能储存。当可利用的物质流量较大时，可不经能量转换储存装置1的累积，直接注入势能驱动装置2。清洗开始时，将势能储存装置1内的物质注入势能驱动装置2，当势能驱动装置2 中累积的物质重力克服膜面清洗阻力、连接索4沿程传动与滑轮5间的摩擦力及对应的复位平衡配重装置10的重力后，开始向低势能位运动，储存的势能转化为动能，一部分通过连接索4和连杆6带动膜面清洗部件8移动对膜面的在线清洗，达到清洗效果，另一部分则通过将复位平衡配重装置10由低势能位拉升至高势能位而储存起来。清洗完成后，开启物质流卸载装置3，将势能驱动装置2内的物质排出，势能驱动装置2的重量变轻，当复位平衡配重装置10重力克服膜面清洗阻力，沿程传动摩擦力及对应的势能驱动装置2重力后，通过连接索4和连杆6将膜面清洗部件8和势能驱动装置2移动回复到清洗前状态，一个清洗过程完成。根据需要可重复这一过程，对膜面进行多次清洗。本发明适用于浸没式膜-生物反应器，膜面清洗部件8的初始停留位置、清洗部件材质、清洗方式和清洗频率根据不同的膜组件形式、处理工艺和膜污染性质进行相应调整。应用于好氧膜-生物反应器时，由于膜组件底部下装有曝气管11，为了使曝气能够良好冲刷膜面，膜面清洗部件不能阻碍气泡和水流的上升，因此在非清洗期间，膜面清洗部件8应悬于膜组件9之上并保持一定距离，保证膜-生物反应器7内良好的水力条件。应用于厌氧膜-生物反应器时，由于不存在曝气，因此膜面清洗装置只需保证不影响反应器内流态和膜组件产水即可，初始停留位置不一定需要悬于膜组件之上。根据不同的膜组件形式，膜面清洗装置也可采用不同形式。膜面清洗装置采用机械固定方式或各种物理化学作用力(包括电磁力、静电力、重力、粘性力、气体压力、液体压力)平行或错位紧密贴附于膜表面，以确保清洗效果。图3所示，应用于平板膜(刚性膜或柔性膜)组件时，膜面清洗装置为条状或块状或刮刀，每个条块或刮刀都与连杆连接，再与传动机构连接或者连杆汇总合并后再与传动机构连接，膜面清洗部件的形式为条状或块状或刮刀贴合膜面运动。图4所示，应用于中空纤维膜组件时，由于其污染主要发生在最外围膜丝上，膜面清洗装置为环形围绕膜组件，为保持运动流畅，每个环形部件需与数个连杆相连，再与传动机构连接或连杆汇总合并后再与传动机构连接，膜面清洗部件的形式为环状围绕与膜组件外部沿膜丝方向运行。图5所示，应用于外压管式膜组件时，由于污泥混合液在膜管外部流动，加压后水透过膜进入膜管腔内，膜污染主要发生在膜管外壁，膜面清洗装置为环形围绕膜组件，每个环形部件需与数个连杆相连，再与传动系统连接或连杆汇总合并后再与传动机构连接膜组件时，膜面清洗部件的形式为环状围绕与膜组件外部沿膜管方向运行。图6所示，应用于内压管式膜组件时，由于污泥混合液在膜管孔内流动，加压后水透过膜进入膜腔内，膜污染主要发生在膜管孔内壁，因此如膜面清洗装置为圆柱状分别插入每个膜管孔内部，每个圆柱都与连杆连接，再与传动系统连接或连杆汇总合并后再与传动系统连接，膜面清洗部件的形式为圆柱状插入与膜组件管孔中沿管孔方向运行。[实施例1]
膜组件采用聚偏氟乙烯(PVDF)，平板膜形式，膜面清洗部件采用毛刷。将其应用于某大型超市餐饮废水好氧膜-生物反应器处理。反应器污泥浓度MLSS=10g/L。膜运行通量为 8 10 L/m2*h，稳定运行30 d后，到达运行终点。进水COD浓度为1031 士 171.2 mg/L， 出水COD浓度为79士 17. 2 11^/1，平均去除率为92.3 %。采用在线物理清洗后，膜通量恢复率可达59. 7 %。[实施例2]
膜组件采用聚醚砜(PES)，平板膜形式，机械清洗装置采用海绵。将其应用于城市生活污水的好氧生物处理。反应器污泥浓度MLSS=7 g/L，膜运行通量为20 L/m2*h，稳定运行 13 d后，到达运行终点。进水COD浓度为观6.0 士 71. 2 mg/L，出水COD浓度为21 士 4. 3 mg/ L，平均去除率为92. 6 %。采用在线物理清洗后，膜通量恢复率可达64.0 %。[实施例3]
膜组件采用聚偏氟乙烯(PVDF)，平板膜形式，机械清洗装置4采用毛刷。将其应用于城市生活污水的好氧生物处理。反应器污泥浓度MLSS=S g/L，膜运行通量为20 L/m2*h，稳定运行19天后，到达运行终点。进水COD浓度为观6. 0士71. 2 mg/L,出水COD浓度为20士4. 3 mg/L，平均去除率为93.0 %。采用在线物理清洗后，膜通量恢复率可达67. 9 %。[实施例4]
膜组件采用250目涤纶网，平板膜形式，机械清洗装置采用毛刷。将其应用于城市生活污水的厌氧处理。膜运行通量为20 L/m2*h，稳定运行48 d后，到达运行终点。进水COD 浓度为沘6.0士71.2 mg/L，出水COD浓度为118士 13. 5 mg/L，平均去除率为58. 7 %。采用在线物理清洗后，膜通量恢复率可达78. 3 %。[实施例5]
在某处理农村污水的好氧膜-生物反应器中使用本发明，膜组件为平板膜形式。污泥浓度5g/L，膜通量15L/m2 · h，当压力升至15kPa时进行清洗，清洗工具采用片状橡胶，清洗频率为三天一次。稳定运行讨天到达终点(大于30kPa)，通量未衰减。[实施例6]
使用好氧膜-生物反应器处理城市生活污水，膜组件形式为中空纤维膜，清洗工具根据中空纤维膜的外形改为环状，用于清洗中空纤维膜的外部污染。进水COD浓度为 325. 0 士 56. 4 mg/L，出水COD浓度为25 士8. 5 mg/L，平均去除率为92. 3 %。膜运行通量为 20 L/m2 · h，稳定运行5天后，压力上升至5kPa，自动清洗后压力减少3kPa。[实施例7]
使用好氧膜-生物反应器对污水厂剩余污泥进行浓缩，膜组件为平板膜形式。进泥浓度为5g/L，浓缩之后的污泥浓度为30g/L，膜运行通量为10 L/m2 · h，清洗工具采用刮刀形式。运行2天后压力上升至IOkPa,自动清洗后压力下降5kPa，稳定运行10天后压力达到 30kPao[实施例8]
使用好氧膜-生物反应器处理某工业废水，膜组件为平板膜形式，进水COD浓度为 1587 士 256.4 mg/L，出水COD浓度为125 士 20. 5 mg/L，平均去除率为92. 1%。清洗工具为海绵，采用在线物理清洗后，膜通量恢复率可达66. 3%。[实施例9]
使用好氧膜-生物反应器处理垃圾渗滤液，膜组件为平板膜形式，进水COD浓度为 6587 士 256. 4 mg/L,出水COD浓度为725 士 50. 5 mg/L，去除率88. 9%，清洗工具为毛刷，采用在线物理清洗后，膜通量恢复率可达50%。[实施例10]
使用好氧动态膜-生物反应器处理某工业废水，膜组件为平板膜形式，进水COD浓度为 1587士256. 4 mg/L,出水COD浓度为225士20. 5 mg/L，平均去除率为92. 1%，清洗工具为海绵，采用在线物理清洗后，膜通量恢复率可达84. 3%。[实施例11]
使用厌氧动态膜-生物反应器处理垃圾渗滤液，膜组件为平板膜形式，进水COD浓度为 6587士256. 4 mg/L,出水COD浓度为1896士 160. 5 mg/L，平均去除率为71. 2%，清洗工具为橡胶片，采用在线物理清洗后，膜通量恢复率可达67. 8%。[实施例12]
使用好氧膜-生物反应器处理城市生活污水，膜组件形式为管式膜，运行方式为内压式，污水进入管内，过滤液在管外，清洗工具根据管式膜的外形改为圆柱状，材质为海绵，用于清洗管式膜的管内污染。进水COD浓度为325.0士56. 4 mg/L，出水COD浓度为32士8. 5 mg/L，平均去除率为90. 1 %，膜运行通量为20 L/m2 · h。采用在线物理清洗后，膜通量恢复率可达64. 6%ο[实施例13]
使用好氧膜-生物反应器处理城市生活污水，膜组件形式为管式膜，运行方式为外压式，污水在管外经过，过滤液进入管内，清洗工具根据管式膜的外形改为环状状，材质为海绵，用于清洗管式膜的管外壁污染。进水COD浓度为325.0士56. 4 mg/L，出水COD浓度为 32士8. 5 mg/L，平均去除率为90. 1 %，膜运行通量为20 L/m2 · h。采用在线物理清洗后，膜通量恢复率可达72. 6%。[实施例14]
使用好氧膜-生物反应器处理城市生活污水，膜组件形式柔性膜，清洗工具为塑料刮刀，固定在膜组件上方，清洗时传动系统带动柔性膜组件一起运动，经过刮刀时膜污染物被刮下。进水COD浓度为325. 0士56. 4 mg/L，出水COD浓度为23士8. 5 mg/L，平均去除率为 92.9 %，膜运行通量为20 L/m2 · h0采用在线物理清洗后，膜通量恢复率可达82. 6%。[实施例I5]
使用好氧膜-生物反应器处理城市生活污水，膜组件形式柔性膜，清洗工具为错位刮刀，两片分别固定在膜组件上方，清洗时传动系统带动柔性膜组件一起运动，经过刮刀时膜污染物被刮下。进水COD浓度为425. 0士沈.4 mg/L，出水COD浓度为32. 3士7. 5 mg/L，平均去除率为92.5%，膜运行通量为20 L/m2 · h0采用在线物理清洗后，膜通量恢复率可达 92. 7%ο[实施例 16]
使用好氧膜-生物反应器处理城市生活污水，膜组件形式柔性膜，清洗工具为磁性橡胶片，依靠自身磁性紧贴在柔性膜膜两侧并固定，清洗时传动系统带动柔性膜组件一起运动，磁性橡胶片刮蹭膜面将膜污染物刮下。进水COD浓度为254. 1 士35. 2 mg/L,出水COD浓度为20. 1 士 5. 6 mg/L，平均去除率为92. 1%，膜运行通量为25 L/m2 *h。采用在线物理清洗后，膜通量恢复率可达94. 3%。
权利要求
1.一种膜-生物反应器在线清洗方法，其特征在于在线清装置由由能量转换储存装置(1)和势能驱动装置(2)构成的动力机构、由连接索(4)和滑轮(5)构成的传动机构、由连杆(6)和膜面清洗部件(8)固定连接构成的机械清洗机构和复位平衡配重(10)装置组成；清洗时，首先将处理工艺过程中的物质流放入能量转换储存装置(1)中，并将其转换为高位势能储存；清洗开始时，将势能储存装置(1)内的物质注入势能驱动装置0)，当势能驱动装置O)中累积的物质重力克服膜面清洗阻力、连接索(4)沿程传动与滑轮(5)间的摩擦力及对应的复位平衡配重装置(10)的重力后，开始向低势能位运动，储存的势能转化为动能，一部分通过连接索(4)和连杆(6)带动膜面清洗部件(8)移动对膜面进行线清洗， 另一部分则通过将复位平衡配重装置(10)由低势能位拉升至高势能位而储存起来；清洗完成后，开启设置在势能驱动装置( 底部的卸载装置(3)，将势能驱动装置O)内的物质排出，势能驱动装置( 的重量变轻，当复位平衡配重装置(10)重力克服膜面清洗阻力，沿程传动摩擦力及对应的势能驱动装置( 重力后，通过连接索(4)和连杆(6)使膜面清洗部件(8)和势能驱动装置( 移动回复到清洗前状态，完成一个清洗过程，根据需要可重复这一过程，对膜面进行多次清洗。
2.根据权利要求1所述的反应器在线清洗方法，其特征在于连接索(4)通过滑轮(5) 与势能驱动装置(2 )、连杆(6 )，膜面清洗部件(8 )和复位平衡配重装置(10 )连接。
3.根据权利要求1所述的反应器在线清洗方法，其特征在于能量转换储存装置(1) 势能位置高于势能驱动装置( 和复位平衡配重装置(10)。
4.根据权利要求1所述的反应器在线清洗方法，其特征在于驱动本清洗方法的物质流为进水、膜出水、消毒后出水、回流污泥、排放剩余污泥、浓度污泥和自来水。
全文摘要
一种膜-生物反应器在线清洗方法，涉及膜-生物反应器的清洗，尤其涉及膜-生物反应器的在线清洗装置，适用于好氧、厌氧、动态膜-生物反应器的物理清洗。本发明清洗方法通过由动力机构、传动机构、机械清洗机构、复位平衡配重装置(10)组成的在线清装置实现，通过利用处理工艺流程中物质流或工艺外部物质流，经过势能与动能的转换，以机械方式实现对膜组件的在线清洗。本发明方法结构简单，安装方便，投资省，运行稳定，维护方便，可实现全自动控制，有效延长膜的清洗周期，节省膜清洗费用，提高膜的运行通量，具有良好的经济效益。适用于好氧、厌氧、动态膜-生物反应器的物理清洗。
文档编号C02F3/00GK102258944SQ20111012747
公开日2011年11月30日 申请日期2011年5月17日 优先权日2011年5月17日
发明者吴志超, 周骅, 张新颖, 朱宇峰, 毛金炼, 王志伟, 王旭, 陆风海, 马金星, 麦穗海 申请人:上海城投污水处理有限公司, 上海子征环境技术咨询有限公司, 同济大学